In het dagelijkse leven, faseovergangen hebben meestal te maken met temperatuurveranderingen, bijvoorbeeld wanneer een ijsblokje warmer wordt en smelt. Maar er zijn ook verschillende soorten faseovergangen, afhankelijk van andere parameters zoals magnetisch veld. Om de kwantumeigenschappen van materialen te begrijpen, faseovergangen zijn vooral interessant als ze direct op het absolute nulpunt van de temperatuur plaatsvinden. Deze overgangen worden "kwantumfaseovergangen" of "kwantumkritische punten" genoemd.

Zo'n kwantumkritisch punt is nu ontdekt door een Oostenrijks-Amerikaans onderzoeksteam in een nieuw materiaal, en in een ongewoon ongerepte vorm. De eigenschappen van dit materiaal worden nu verder onderzocht. Vermoed wordt dat het materiaal een zogenaamd Weyl-Kondo-halfmetaal zou kunnen zijn, die wordt beschouwd als een groot potentieel voor kwantumtechnologie vanwege speciale kwantumtoestanden (zogenaamde topologische toestanden). Als dit waar blijkt te zijn, een sleutel voor de gerichte ontwikkeling van topologische kwantummaterialen zou zijn gevonden. De resultaten zijn gevonden in een samenwerking tussen TU Wien, Johns Hopkins-universiteit, het National Institute of Standards and Technology (NIST) en Rice University en is nu gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

Kwantumkritiek — eenvoudiger en duidelijker dan ooit tevoren

"Meestal wordt kwantumkritisch gedrag bestudeerd in metalen of isolatoren. Maar we hebben nu gekeken naar een halfmetaal, ", zegt prof. Silke Bühler-Paschen van het Institute of Solid State Physics aan de TU Wien. Het materiaal is een verbinding van cerium, ruthenium en tin - met eigenschappen die tussen die van metalen en halfgeleiders liggen.

Gebruikelijk, kwantumkritiek kan alleen worden gecreëerd onder zeer specifieke omgevingsomstandigheden - een bepaalde druk of een elektromagnetisch veld. "Verrassend genoeg, echter, ons halfmetaal bleek kwantumkritisch te zijn zonder enige externe invloeden, " zegt Wesley Fuhrman, een doctoraat student in het team van Prof. Collin Broholm aan de Johns Hopkins University, die met neutronenverstrooiingsmetingen een belangrijke bijdrage hebben geleverd aan het resultaat. "Normaal moet je hard werken om de juiste laboratoriumomstandigheden te produceren, maar dit halfmetaal zorgt op zichzelf voor de kwantumkritiek."

Dit verrassende resultaat houdt waarschijnlijk verband met het feit dat het gedrag van elektronen in dit materiaal een aantal bijzondere eigenschappen heeft. "Het is een sterk gecorreleerd elektronensysteem. Dit betekent dat de elektronen sterk met elkaar interageren, en dat je hun gedrag niet kunt verklaren door naar de elektronen afzonderlijk te kijken, ", zegt Bühler-Paschen. "Deze elektroneninteractie leidt tot het zogenaamde Kondo-effect. Hier, een kwantumspin in het materiaal wordt afgeschermd door elektronen eromheen, zodat de spin geen effect meer heeft op de rest van het materiaal."'

Als er maar relatief weinig vrije elektronen zijn, zoals het geval is in een halfmetaal, dan is het Kondo-effect onstabiel. Dit zou de reden kunnen zijn voor het kwantumkritische gedrag van het materiaal:het systeem fluctueert tussen een toestand met en een toestand zonder het Kondo-effect, en dit heeft het effect van een faseovergang bij temperatuur nul.

Kwantumfluctuaties kunnen leiden tot Weyl-deeltjes

De belangrijkste reden waarom het resultaat zo belangrijk is, is dat het vermoedelijk nauw verband houdt met het fenomeen 'Weyl-fermionen'. in vaste stoffen, Weyl-fermionen kunnen voorkomen in de vorm van quasideeltjes, d.w.z. als collectieve excitaties zoals golven in een vijver. Volgens theoretische voorspellingen dergelijke Weyl-fermionen zouden in dit materiaal moeten voorkomen, " zegt theoretisch natuurkundige Qimiao Si van Rice University. Experimenteel bewijs, echter, is nog niet te vinden. "We vermoeden dat de kwantumkritiek die we hebben waargenomen het voorkomen van dergelijke Weyl-fermionen bevordert, " zegt Silke Bühler-Paschen. "Kwantumkritische fluctuaties kunnen daarom een ​​stabiliserend effect hebben op Weyl-fermionen, op een vergelijkbare manier als kwantumkritische fluctuaties in supergeleiders bij hoge temperatuur die supergeleidende Cooper-paren bij elkaar houden. Dit is een zeer fundamentele vraag die het onderwerp is van veel onderzoek over de hele wereld, en we hebben hier een hete nieuwe voorsprong ontdekt."

Het lijkt ons dat bepaalde kwantumeffecten, namelijk kwantumkritische fluctuaties, het Kondo-effect en Weyl-fermionen zijn nauw met elkaar verweven in het nieuw ontdekte materiaal en, samen, aanleiding geven tot exotische Weyl-Kondo staten. Dit zijn 'topologische' toestanden van grote stabiliteit die, in tegenstelling tot andere kwantumtoestanden, kunnen niet gemakkelijk worden vernietigd door externe verstoringen. Dit maakt ze bijzonder interessant voor kwantumcomputers.

Om dit alles te verifiëren, verdere metingen onder verschillende externe omstandigheden moeten worden uitgevoerd. Het team verwacht dat een vergelijkbaar samenspel van de verschillende kwantumeffecten ook in andere materialen te vinden is. "Dit zou kunnen leiden tot het opzetten van een ontwerpconcept waarmee dergelijke materialen specifiek kunnen worden verbeterd, op maat gemaakt en gebruikt voor concrete toepassingen, ", zegt Bühler-Paschen.